domingo, 4 de febrero de 2018

EL EFECTO DOPPLER, LA ENERGÍA OSCURA Y LA MUERTE DEL UNIVERSO


Seguro que todos hemos oído alguna vez hablar del Big Bang, el origen, esa explosión inicial que tuvo lugar hace unos 13.500 millones de años y que creó tiempo, espacio y nuestro universo. Es lógico pensar que, como en toda buena explosión, los pedazos salgan disparados y se dispersen unos de otros, pero… ¿Hasta cuándo?.

Entendiendo el universo como materia y energía es fácil llegar a deducir el “big crunch”. Tras esa explosión las partículas se separarán cada vez a menor velocidad hasta detenerse por la acción gravitaroria, las galaxias y cúmulos empezarán a atraerse y volverán a unir toda la materia del universo en un solo punto, un big bang pero a la inversa.

Sin embargo la teoría del big cruch y de un universo oscilante cada día tiene menos adeptos y parece seguro que nuestro universo se dirige irremediablemente hacia otro final, el big rip*.

Y es que no podemos entender el universo como materia y energía únicamente ya que de los efectos gravitacionales del universo se deduce que solo el 5% de la densidad de energía es lo que nosotros conocemos como materia y energía. Todas las galaxias, con sus estrellas, planetas, nubes gaseosas y toda su radiación electromagnética no sería más que una mísera veinteava parte del universo.

Las galaxias, lejos de frenarse y volver a aproximarse por gravedad se alejan unas de otras y cuanta mayor es la distancia entre galaxias, mayor es la velocidad a la que se alejan. Existe un fenómeno conocido como efecto Doppler que permite calcular la velocidad aparente de un cuerpo frente a otro. Cuando un foco emisor de una onda y otro que la percibe se mueven uno con respecto al otro la longitud de onda aparente percibida por el receptor es distinta de la emitida por el foco. Si foco y receptor se están acercando la onda percibida tiene una longitud menor y si se están separando la longitud de onda aumenta. Es este efecto el utilizado por ejemplo en los radares de tráfico para calcular la velocidad a la que circulamos o es lo que explica que cuando una ambulancia se acerca a nosotros oímos su sirena con un tono agudo y cuando se aleja con un tono más grave. Al analizar la luz que nos llega de distintas galaxias podemos saber si se alejan o acercan a nosotros y a qué velocidad lo hacen; pues bien, al observar los cuerpos más distantes de nosotros como cuásares observamos un desplazamiento al rojo, (desplazamiento hacia longitudes de onda mayores), que es mayor cuanto más lejos se encuentran de nosotros, lo que nos indica que a mayor distancia mayor es la velocidad a la que se alejan.
Cuanto mayor es la distancia de la galaxia emisora mayor es su desplazamiento al rojo.

Pero, ¿por qué sucede esto?. La respuesta está en ese 95% de universo que no conocemos. Se estima que aproximadamente un 25% del total de la densidad de energía del universo es materia oscura, un tipo de materia que no interacciona de ninguna manera con la radiación electromagnética y un 70% es energía oscura, un tipo de energía que crearía una presión negativa o fuerza gravitacional repulsiva y que sería la responsable de separar unas galaxias de otras. Dentro de las galaxias, la gravedad es lo suficientemente intensa como para permitir que las estrellas que la forman giren alrededor de un centro que posee un agujero negro supermasivo, formando los brazos característicos de una galaxia en espiral. En los sistemas planetarios ocurre lo mismo, pero en el espacio intergaláctico la energía oscura gana por goleada. Nuestro universo tiene un pedal de freno, (la gravedad) que trata infructuosamente de retener la expansión y un acelerador, (la energía oscura), que está pisado a fondo y que nos conduce indefectiblemente hacia el big rip.

Aun así no hay que empezar a preocuparse…aún. Se calcula que nuestro universo tendrá una vida de aproximadamente 35.000 millones de años, así que aún nos queda más de la mitad. Según esta teoría las galaxias se alejarán unas de otras y llegará un momento en que, desde nuestra óptica todo el universo sea un solo punto en el cielo con un alto desplazamiento al rojo. Cuando aún queden unos 60 millones de años para el fin, la energía oscura desgarrará las galaxias, en los últimos meses separará sistemas planetarios, desgarrará planetas y llegará a desgarrar incluso los átomos hasta que ya no exista materia en el universo y lo único que quede sea una sopa de radiación enfriándose.

DEP, universo

Últimos 60 millones de años
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*Otras teorías, probablemente más aceptadas, determinan que la evolución del universo hacia una entropía máxima producirá una muerte térmica por enfriamiento o Big Freeze, parecida al Big Rip pero quizás menos dramática


lunes, 15 de febrero de 2016

ONDAS GRAVITACIONALES

¿Habéis escuchado alguna vez una onda gravitacional? buuuuuuhuuhuuhuGRIP!! Y se acabó. Es la conversión en ondas sonoras de un fenómeno predicho por Einstein en su teoría de la relatividad general en 1915 y detectado por los físicos de LIGO, (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), 100 años después.



En este pequeño archivo de sonido estamos escuchando el frenético baile que se produjo hace unos mil millones de años entre dos agujeros negros de unas 30 masas solares cada uno, justo en el momento antes de fusionarse. Es un proceso que sólo duró una fracción de segundo, pero que liberó tanta energía como la energía lumínica de todas las estrellas del universo juntas. Si escuchamos con atención podemos oír incluso un GRIP final, momento en el cual los dos agujeros negros se convierten en uno.

Para explicar que es una onda gravitacional deberíamos empezar por explicar que es una onda. Una onda es la manera en la que se propaga la energía sin necesidad de propagar materia. Si tengo una cuerda y quiero generar una energía y que tú la recibas tengo dos opciones; podría lanzarte la cuerda y que esta te golpease, en cuyo caso habríamos tenido una transmisión de energía mediante un desplazamiento de la materia o puedo pedirte que agarres un extremo de la cuerda, coger yo el otro y generar una onda, de este modo la energía se habría propagado a través de la cuerda, pero las partículas materiales que transmitirían la energía a tu mano no serían las mismas a las que yo suministré energía. Un ejemplo análogo podemos observarlo en una ola del mar; cuando estás en la orilla y ves como una boya, 100 metros mar adentro se eleva y vuelve a bajar sabes que esa energía acabará golpeándote, sin embargo las moléculas de agua que estaban en contacto con esa boya no son las que te golpearán

Las ondas necesitan de un medio material para propagarse. La ola el agua del mar, el sonido el aire o la energía que yo generé, necesitaba de la cuerda. Pero… ¿toda onda necesita de un medio material para propagarse? Hasta hace poco la respuesta era No; todas salvo las ondas electromagnéticas (la de la luz). Hoy la respuesta ha cambiado.

Una onda electromagnética varía el campo eléctrico y magnético de una región del espacio durante su propagación. Esta era, hasta hoy, la única manera que teníamos de mirar al universo. Todo lo que nos llegaba de él era luz y, mediante esta luz, hemos podido hacer un mapa y una cronología del universo increíble. Podíamos detectar agujeros negros por el cambio en la velocidad de las estrellas que se acercaban a ellos, calcular lo lejos que estaba una galaxia de nosotros mediante el desplazamiento al rojo de la luz que nos llegaba de ella e, incluso, podíamos hacer un mapa del universo primitivo con la radiación de fondo de microondas… Pero la capacidad de analizar esta luz era la única ventana que teníamos abierta al universo, era nuestro único sentido. Podíamos ver el universo, pero aun no podíamos escucharlo, tocarlo, olerlo, saborearlo…

Con la detección de ondas gravitacionales se abre un sentido nuevo para conocer el universo. A partir de hoy tenemos un tipo más de ondas que nos podrán dar información de él. Es como si acabáramos de demostrar que el universo, además de visto, puede ser oído. Con este nuevo sentido se podrán estudiar el comportamiento de los grandes monstruos del universo como agujeros negros o estrellas de neutrones, pero ¿serán las ondas gravitacionales capaces de demostrar la existencia de materia y energía oscura y posibilitar su estudio? Hasta ahora la existencia de materia y energía oscura es un supuesto teórico del que nadie duda, pero el hecho de no emitir radiación electromagnética imposibilitaba su demostración y estudio.

¿Y qué son entonces las ondas gravitacionales? Para explicarlas debemos pensar en el universo con una concepción relativista, es decir, un universo según la visión de Einstein y no un universo clásico newtoniano. En este universo relativista el espacio y el tiempo no son magnitudes fijas e inmutables. El tiempo se puede ralentizar y el espacio curvarse hasta llegar a desgarrarse en un agujero negro. Debemos imaginarnos el universo como una malla sobre la cual descansa la materia. Mediante esta concepción del universo, la gravedad cambia por completo su definición. Los campos gravitatorios debemos imaginarlos ahora como una deformación de esa malla en el espacio en el que se encuentra una masa (fig 1). La relatividad predice fenómenos en este tejido que han sido comprobados, como la curvatura que sufre la luz cuando entre el emisor y el receptor se interpone una gran masa (fig 2 y 3).

Fig 1

Fig 2
Fig 3












Pues bien, una vez fijado nuestro campo de acción como ese universo en forma de malla, es más fácil entender qué es una onda gravitacional. Los fenómenos supermasivos que ocurren en algún punto del universo, como la fusión de dos agujeros negros o la explosión de una supernova, crean una perturbación en ese tejido en forma de malla. Se produce una ligera elongación en uno de los ejes del espacio y una contracción en los ejes perpendiculares, y esa perturbación se va propagando a lo largo del universo de forma que puede ser detectada. Esto es una onda gravitacional.

¿Cómo se detectan estas ondas? Para ello se construyeron unos túneles de 4 Km cuya distancia es medida con una precisión asombrosa mediante luz láser, midiendo el tiempo que tarda la luz en llegar de un extremo a otro del túnel. Las ondas gravitacionales provocan pequeñísimas elongaciones en uno de los ejes del túnel y el consiguiente acortamiento en el otro eje. Estas ondas son medidas en diferentes observatorios de la red LIGO, eliminando así la posibilidad de confundirlas con ruido de fondo.


 Esta variación es tan pequeña que Einstein, al predecirla, dijo que jamás podría ser detectada. Sin embargo, y sin que sirva de precedente, Einstein se equivocó y el pasado 10 de febrero los científicos del LIGO anunciaban: “¡Hemos detectado ondas gravitacionales! ¡Lo conseguimos!”

sábado, 13 de junio de 2015

Examen resuelto Química 2015 Madrid PAU 4

Aquí os dejo el examen resuelto de Química 2015 de la PAU para la comunidad de Madrid. Si encontráis algún error hacérmelo saber. Gracias


    
             

                                                            
                 
        


            
             
         
        



domingo, 20 de abril de 2014

El inmenso vacío del sistema solar

Cuando observamos en cualquier libro de texto el sistema solar deberían advertirnos que la imagen no está hecha a escala. Podemos imaginar a los planetas, tan grandes, tan próximos unos a otros...



Nada mas lejos de la realidad. El sistema solar es, sin embargo, un gran vacío.

Cuesta trabajo imaginar que de todo el espacio comprendido por el sistema solar la materia no llega a ocupar ni la milésima parte de este.

Para hacernos una idea vamos a escalar el sistema solar, reduciéndolo para ello hasta que la tierra sea solamente una pequeña esfera de medio centímetro de diámetro, similar a la pupila dilatada de un ojo humano. Con esta escala, podríamos representar los diámetros, distancias al Sol y volúmenes de cada planeta* del sistema solar y de su estrella más cercana:


Comenzaremos nuestro viaje en el centro del patio del colegio donde doy clases. En la primera imagen ya podemos observar la verdadera escala del sistema solar:


Al ir alejándonos observamos la enorme distancia entre planetas:


Aquí tenemos a Saturno y Urano:


De tal manera que Plutón estaría prácticamente fuera de la ciudad:


¿Y después?....

Viajaremos rumbo a Próxima Centauri, la estrella más cercana al Sol. De camino encontraríamos el Cinturón de Kuiper, un disco formado por objetos de tipo cometario de entre cien y mil kilómetros de diámetro. Estos cometas estarían en los alrededores de Alcorcón y serían aquellos cometas de periodo corto que visitan el sistema solar. ¿Y después?. Viajando de camino a Próxima Centauri encontraríamos un cúmulo inmenso de cuerpos llamado la Nube de Oort. Formada por millones de cuerpos, ninguno de ellos sería mayor que una mota de polvo. Esta es una nube hipotética, ya que no se ha podido observar ninguno de sus supuestos objetos, pero se cree que es la fuente de cometas de periodo largo y de tipo Halley. Esta Nube de Oort podría llegar hasta el año luz del Sol:


Y para llegar a Próxima Centauri, tendríamos que viajar hasta Australia. Allí encontraríamos a nuestra vecina... una pelota de Béisbol


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*Hemos incluido a Plutón como planeta del Sistema Solar por pura nostalgia. La Unión Astronómica Internacional (UAI), "despojó" a Plutón de la categoría de planeta en el 2006

domingo, 30 de diciembre de 2012

Metodologías II: Hyperchem

Llegamos a bachillerato y en química tenemos que explicar la geometría molecular.

Es un concepto que a los alumnos les cuesta ver. Pueden conocer perfectamente la TRPEV o incluso la TOM, pero no tienen visión espacial y mucho menos si la molécula está dibujada en las dos dimensiones que nos da la pizarra.

Hoy quiero mostrar una herramienta que creo que puede facilitar el trabajo, tanto a nosotros como a ellos: El Hyperchem.

Se trata de una herramienta de pago con un montón de utilidades disponible para Pc, android y iOS, aunque para lo que aquí nos atañe, (geometría molecular), hay una app gratuita, (en iOS al menos).

La aplicación la podéis descargar de su página: http://www.hyper.com/ o de la app store.

Con unos toques podemos dibujar la molécula que deseemos y el programa nos da su geometría. En estos vídeos vemos lo simple que es con la aplicación gratuita para iOS:

En este vídeo vemos como crear una molécula de metano (geometría tetraédrica)
                               
En este otro vemos una molécula de amoniaco, (geometría piramidal)

Aquí vemos la geometría trigonal plana de cada carbono del eteno

Y aquí podemos ver el anillo plano de benceno, el ácido propanóico o el etil metil éter

En internet podéis encontrar y bajar todo tipo de moléculas y redes cristalinas subidas por gente con tiempo y ganas, como por ejemplo este cristal de zeolita:


La aplicación gratuita nos da también datos interesantes de la molécula como el ángulo o la distancia de enlace, por lo que para los alumnos es más que suficiente con ella.

Pero si de verdad queremos disfrutar de todo el potencial del Hyperchem, tendremos que descargarnos la aplicación de pago. En ella podremos construir todo tipo de estructuras y tener todos los datos que queramos de ellas: Energías de enlace, espectros RMN, modelo cinético.molecular variando temperatura y presión...



lunes, 29 de octubre de 2012

Principio de incertidumbre

En el capítulo 20 de la 4ª temporada de Big Bang Theory, el doctor Sheldon Cooper asiste a la presentación de un libro divulgativo sobre ciencia como aquel que acude a una velada de monologuistas.

Para Sheldon, el momento más gracioso es cuando el escritor intenta explicar el principio de incertidumbre de Heisenberg comparándolo con los menús de una cafetería, y es que, como bien opina el doctor Cooper, el principio de incertidumbre no es exactamente como dos menús en los que no puedas elegir un plato del menú A y otro del menú B.

Tradicionalmente y para no entrar en conflicto con nuestra concepción determinista de la física newtoniana, el principio de incertidumbre se nos explica como la imposibilidad de conocer con exactitud al mismo tiempo la posición y la velocidad de una partícula.

En nuestro sistema macroscópico, la posición y velocidad de un cuerpo son perfectamente medibles y la incertidumbre introducida por el principio de Heisenberg es tan ridículamente pequeña que es totalmente despreciable. Cuando nos trasladamos al mundo de las partículas, la física clásica choca con la cuántica.

Para medir la posición de un cuerpo necesitamos un sistema de referencia, (un cero), y un instrumento de medida, (una regla por ejemplo), con ello podemos determinar en física clásica la posición y todas las variables derivadas de ella (velocidad, aceleración, cantidad de movimiento, momento angular...). Podremos no solo medir la posición presente de un cuerpo, sino también inferir una ecuación de la trayectoria y predecir la posición de ese cuerpo en el futuro. Con la física cuántica todas estas concepciones de posición, trayectoria, momentos... se vuelven mucho más complejas. Si queremos "medir" la posición de un electrón, deberíamos utilizar una "regla" lo suficientemente pequeña como para encontrarle, esto es, un fotón. Sin embargo hacer chocar un fotón contra el electrón provocaría en éste un cambio instantáneo en su posición y su velocidad.

Es algo así como si para medir el movimiento de un coche por una autopista lanzásemos una una flota de camiones para ver cuál choca con él y dónde. El hecho mismo de la medición habría provocado un cambio tanto en su posición como en su velocidad.

En realidad es mucho más que eso, ya que las ecuaciones de onda que tratan de predecir el movimiento del electrón no son más que buenas aproximaciones, bastante veraces para átomos simples como el de hidrógeno, (un electrón), bastante inexactas y necesitadas de correcciones para átomos mayores. Y es que en física cuántica no debemos hablar de ecuaciones de trayectoria. El electrón en su movimiento es del todo impredecible, incluso puede "desaparecer" en un lugar y atravesar una barrera de potencial "apareciendo" en otro distinto mediante el llamado efecto túnel.

No es de extrañar por tanto, que el profesor Farnsworth gritase enojado "tongo" en el episodio 4 de la tercera temporada de Futurama tras perder en el hipódromo el caballo por el que apostó, pues el hecho mismo de la medición en la foto finish con un potente microscopio de electrones habría variado el resultado y, según el principio de incertidumbre, no podríamos decidir el ganador por una "entrada cuántica"
























martes, 21 de agosto de 2012

Henry Moseley y la tabla periódica


Al hablar de la tabla periódica probablemente venga a la memoria el nombre de Dmitri Mendeleiev, primero en proponer la clasificación de los elementos conocidos en una tabla que los agrupase por familias. Fue sin embargo un tipo más desconocido, Henry Moseley, quien dio con la tecla que permitiría ordenar definitivamente la tabla periódica.

Nació el 23 de noviembre de 1887 en Weymouth (Inglaterra), hijo y nieto de conocidos biólogos, estudió en el Trinity college de Oxford y realizó sus investigaciones en la universidad de Manchester, bajo la tutela de Rutherford. 

Su trabajo consistía en hallar la longitud de onda de los rayos X que emitían los elementos al ser bombardeados con rayos catódicos. Para ello Moseley utilizó una técnica cristalográfica según la cual la deflexión que producían los rayos X al incidir en un cristal dependía de su longitud de onda. Utilizando más de una treintena de metales, se dio cuenta de que los rayos X que aparecían en sus espectros de emisión tenían una longitud de onda que era inversamente proporcional al número atómico del elemento (ley de los números atómicos*). 



De esta manera Moseley pudo averiguar el número atómico de los elementos conocidos y corregir la tabla periódica existente organizando ésta en función del número de protones en lugar de la antigua ordenación, que atendía a la masa atómica (ley de Moseley).

Las conclusiones de Moseley quedaron probadas al predecir la existencia de tres nuevos elementos de números atómicos 43,61 y 75 ( tecnecio, prometio y renio), que posteriormente fueron descubiertos.


En 1914 regresó a Oxford para continuar sus investigaciones, sin embargo tuvo que abandonarlas por el estallido de la primera guerra mundial. Se alistó en los Royal Engineers como oficial de telecomunicaciones y fue destinado a Galípoli, donde Churchill pretendía un desembarco de tropas francesas y británicas que avanzasen hasta Constantinopla y tomasen el control del estrecho del Bósforo, vital éste para lograr abastecer al imperio ruso de armamento y para encerrar a los imperios centrales en el interior cortándoles los accesos al mar. Sin embargo esta ofensiva fracasó estrepitosamente y se cobró unas 250000 bajas en los aliados entre muertos y heridos.  Henry Moseley fue uno de ellos. El 10 de agosto de 1915, mientras telegrafiaba una orden, un francotirador turco le disparaba en la cabeza, muriendo así este notable científico a la temprana edad de 27 años. Es debido a su muerte y a los progresos en física y química que se pudieron perder que el ejercito británico tiene prohibido el alistamiento de científicos en sus filas en tiempos de guerra.

Muchos científicos especularon con que Moseley pudo haber ganado un premio Nobel, sin embargo estos galardones no se conceden a título póstumo. Estas conjeturas son aun mayores teniendo en cuenta que en los años 1916 y 1917 no se entregaron  dos Nobel de química y uno de física y que en los años 14,15 y 17 todos los premios de física estuvieron relacionados con la cristalografía de rayos X.

Son muchos los científicos que deben parte de su trabajo a las averiguaciones de Moseley. Los estudios de Rutherford o Bohr acerca de la naturaleza del núcleo atómico no podrían haber sido entendidos sin los descubrimientos de Moseley. 



* En realidad el enunciado de la ley de los números atómicos es el siguiente: la raíz cuadrada de la frecuencia de los rayos X producidos cuando un elemento se bombardea con rayos catódicos es proporcional al número atómico del elemento.